(57)【要約】【課題】流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンにおいて、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼に対する熱負荷を低減させる。【解決手段】動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２が、ホットストリークＨを避けて配置されている【選択図】図２
2010190057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法であって、
前記動翼列の下流領域の温度分布を取得する温度分布取得工程と、
前記温度分布取得工程にて取得された温度分布のうち予め定められた閾値よりも低温の領域を前記静翼列の静翼の配置位置として設定する静翼配置位置設定工程と
を有することを特徴とするタービンの設計方法。
【請求項２】
前記温度分布取得工程において、流体解析により前記動翼列の下流領域におけるホットストリークの分布を算出することによって前記温度分布を取得することを特徴とする請求項１記載のタービンの設計方法。
【請求項３】
前記温度分布取得工程において、流体解析により前記動翼列の下流領域におけるコールドストリークの分布を算出することによって前記温度分布を取得することを特徴とする請求項１または２記載のタービンの設計方法。
【請求項４】
前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置に基づいて流体解析を行うことによって前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置について検証を行う検証工程と、
該検証工程の検証結果に基づいて前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置を調整する調整工程と
を有することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のタービンの設計方法。
【請求項５】
前記静翼配置位置設定工程において、複数の前記静翼の配置位置が存在する場合に、最も前記静翼の温度勾配が小さい前記静翼配置位置を最適なものとして選択することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のタービンの設計方法。
【請求項６】
流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンであって、
前記動翼列の下流領域に配置される前記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも高温の領域を外れて配置されていることを特徴とするタービン。
【請求項７】
前記動翼列の下流領域に配置される前記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも低温の領域に位置するように配置されていることを特徴とする請求項６記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法及びタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービンエンジン等の高温流体によって回転駆動されるタービンを備える装置では、タービンに上記高温流体が供給されるため、タービンが備える翼の熱負荷が大きいことが知られている。
特にガスタービンエンジンが備える燃焼器の下流側には、燃焼器に設置される燃料噴射ノズルが離散的に配置されているため、局所的に高温の流体が流れる。よって、燃焼器の下流側の領域には、流体の流れ方向に延在するいわゆるホットストリークが、周方向に離散的に形成される。そして、タービンが備える翼がホットストリークに晒される場合には、特にタービン翼の熱負荷が大きくなる。
【０００３】
このため、従来のガスタービンエンジン等においては、上記ホットストリークの発生を抑制するために、燃焼器において希釈空気を適切に混ぜることでホットストリークを解消する試みがなされている。
ところが、燃焼器内部の熱流動は、非常に複雑で予測が難しい。このため、ホットストリークの発生を抑制するために希釈空気を混ぜたとしても、必ずしも狙い通りの温度分布になるとは限らない。
【０００４】
そこで、燃焼器でのホットストリークの対策を行わないあるいは簡便化し、タービンにおいて熱対策を施す試みも行われている。
具体的には、例えば、燃焼器に最も近いタービン翼である静翼の内部にホットストリークに耐えうるだけの冷却ガスを供給し、静翼を冷却することによって静翼への熱負荷を低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５７３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ホットストリークは、複数の静翼からなる静翼列及び該静翼列の下流領域に配置される動翼列にて減衰及び散逸するものではなく、さらに下流まで残存する。
【０００７】
このため、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備える多段タービンにおいては、動翼列の下流に配置された静翼列を構成する静翼がホットストリークに晒されて大きな熱負荷を受ける場合がある。
これに対して、全ての静翼に対して内部にホットストリークに耐えうるだけの冷却ガスを供給することも考えられるが、冷却空気が非常に増加するため、エンジン性能が著しく低下する。
【０００８】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンにおいて、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼に対する熱負荷を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【００１０】
第１の発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法であって、上記動翼列の下流領域の温度分布を取得する温度分布取得工程と、上記温度分布取得工程にて取得された温度分布のうち予め定められた閾値よりも低温の領域を上記静翼列の静翼の配置位置として設定する静翼配置位置設定工程とを有するという構成を採用する。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記温度分布取得工程において、流体解析により上記動翼列の下流領域におけるホットストリークの分布を算出することによって上記温度分布を取得するという構成を採用する。
【００１２】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記温度分布取得工程において、流体解析により上記動翼列の下流領域におけるコールドストリークの分布を算出することによって上記温度分布を取得するという構成を採用する。
【００１３】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置に基づいて流体解析を行うことによって上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置について検証を行う検証工程と、該検証工程の検証結果に基づいて上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置を調整する調整工程とを有するという構成を採用する。
【００１４】
第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記静翼配置位置設定工程において、複数の上記静翼の配置位置が存在する場合に、最も上記静翼の温度勾配が小さい上記静翼配置位置を最適なものとして選択するという構成を採用する。
【００１５】
第６の発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンであって、上記動翼列の下流領域に配置される上記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも高温の領域を外れて配置されているという構成を採用する。
【００１６】
第７の発明は、上記第６の発明において、上記動翼列の下流領域に配置される上記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも低温の領域に位置するように配置されているという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、タービンの動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼が、ホットストリークを避けて配置される。
このため、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンにおいて、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼に対する熱負荷を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態におけるタービンを備えるガスタービンエンジンの要部構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるタービンが備える静翼及び動翼を側方から見た模式図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるタービンの設計に用いられる設計装置のシステムブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるタービンの設計方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の設計方法及びタービンの一実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２０】
図１は、本実施形態のタービンが設置されるガスタービンエンジンの高温部の要部構成を示す断面図である。
この図に示すように、ガスタービンエンジンは、燃焼器４及びタービン５を備えている。
【００２１】
燃焼器４は、圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスを排出する。なお、燃焼器４の内部には、ガスタービンエンジンの軸回りに複数の燃料噴射ノズル２が離散的に配置されており、当該燃料噴射バーナから噴射された燃料と空気とが混合されて燃焼される。
【００２２】
タービン５は、燃焼器４から供給される燃焼ガスから回転動力を得るものであり、複数の静翼５２と複数の動翼５３とからなるタービン翼５１を備えている。
図２は、タービン５が備える静翼５２及び動翼５３を側方から見た模式図である。この図に示すように、本実施形態のタービン５は、静翼５２からなる静翼列６０（６１，６２）と動翼５３からなる動翼列７０（７１，７２）とによって構成される翼列段８０が、燃焼ガスの流れ方向に２段配列された構成を有している。すなわち、燃焼ガスの流れ方向に静翼列６０と動翼列７０とが交互に配列されている。
また、図２に示すように、上流側の静翼列６１の静翼５２の内部には冷却ガスＸが供給され、静翼５２の翼面や後縁から静翼５２の外部に冷却ガスＸが排出されている。
【００２３】
そして、本実施形態のタービン５においては、図２に示すように、上流側の翼列段８１の動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２が、燃焼ガス流れに含まれる高温流れであるホットストリークＨが形成される領域を避けて配置されている。なお、本実施形態においてホットストリークとは予め設定された閾値よりも高い温度領域とし、本実施形態においてホットストリークを避けるとは予め設定された閾値よりも高い温度領域を外れて位置することを意味する。
さらに、本実施形態のタービン５においては、上流側の翼列段８１の動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２が、冷却ガスＸによって形成されるコールドストリークＣ（燃焼ガス流れに含まれる低温流れ）が形成される領域に晒されるように配置されている。なお、本実施形態においてコールドストリークとは予め設定された閾値よりも低い温度領域とし、本実施形態においてコールドストリークに晒されるとは予め設定された閾値よりも低い温度領域に位置することを意味する。
なお、ホットストリークを定義するための上記閾値と、コールドストリークを定義するための上記閾値とは同じ値である必要はない。
【００２４】
このような構成を有する本実施形態のタービン５を備えるガスタービンエンジン１では、燃焼器４にて発生した燃焼ガスがタービン５に供給されて回転動力が得られる。
【００２５】
そして、本実施形態のタービン５においては、上流側の翼列段８１の動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２が、燃焼ガス流れに含まれる高温流れであるホットストリークＨを避けて配置されている。このため、動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２に対する熱負荷を低減させることが可能となる。
【００２６】
さらに、本実施形態のタービン５においては、上流側の翼列段８１の動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２が、冷却ガスＸによって形成されるコールドストリークＣに晒されるように配置されている。このため、動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２に対する熱負荷をさらに低減させることが可能となる。
【００２７】
図３は、上記タービン５の設計を行うための設計装置Ｓのシステムブロック図である。また、図４は、上記タービン５の設計方法を説明するためのフローチャートである。
【００２８】
設計装置Ｓは、パーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化されるものであり、図３に示すように、外部記憶装置１００と、内部記憶装置２００と、ＣＰＵ３００と、入力装置４００と、出力装置５００と、システムバス６００とを備えている。
【００２９】
外部記憶装置１００は、ハードディスクドライブ等によって具現化され、本実施形態においては、上述したホットストリークの分布を算出するための解析プログラムや、上述した下流領域の翼列段８２の静翼列６２の配置位置を設定するための配置位置設定プログラム等を記憶している。
また、外部記憶装置１００は、上記解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータ（燃焼器４における燃焼噴射バルブの配置間隔を示すデータ、燃焼器４に用いられる燃料の熱量を示すデータ、上流側の翼列段８１における静翼５２の形状や配置間隔を示すデータ、上流側の翼列段８１における動翼５３の形状、配置間隔及び回転数を示すデータ、下流側の翼列段８２における静翼５２の形状や配置間隔を示すデータ等）を記憶している。なお、解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータは、必ずしも外部記憶装置１００に予め記憶されている必要はなく、入力装置４００に入力されて内部記憶装置２００に記憶されるようにしても良い。
【００３０】
内部記憶装置２００は、ＲＯＭやＲＡＭ等によって具現化され、本実施形態においては、上述の解析プログラム、配置位置設定プログラム及びこれらのプログラムに用いられる上記パラメータを一時的に記憶する。
【００３１】
ＣＰＵ３００は、設計装置Ｓの動作全体を制御するものであり、本実施形態においては、解析プログラム、配置位置設定プログラム及びこれらのプログラムに用いられる上記パラメータに基づいて動翼列７１の下流領域の温度分布を算出すると共に、当該温度分布に基づいて静翼列６２の静翼の配置位置を設定する。
【００３２】
入力装置４００は、キーボードやマウスによって具現化されるものであり、必要に応じて解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータを入力するものである。
出力装置５００は、ディスプレイやプリンタによって具現化されるものであり、ＣＰＵ３００の制御の下、各種データを視覚化して出力する。
システムバス６００は、外部記憶装置１００と、内部記憶装置２００と、ＣＰＵ３００と、入力装置４００と、出力装置５００とを相互に電気的に接続する配線網である。
【００３３】
そして、このように構成された設計装置Ｓを用いて行われる本実施形態のタービンの設計方法においては、図４に示すように、まず温度分布取得工程（ステップＳ１）が行われる。この温度分布取得工程では、上記解析プログラム及びパラメータに基づいて、動翼列７１の下流領域の温度分布が算出される。
なお、本実施形態のタービンの設計方法においては、解析プログラムとして非定常ＣＦＤ解析プログラムを用いてホットストリーク及びコールドストリークの分布を算出することによって動翼列７１の下流領域の温度分布が取得される。
また、非定常ＣＦＤ解析を行う具体的な手法については、「Hirai, K., et al., “Unsteady Three-Dimensional Analysis of Inlet Distortion in Turbomachinery”, AIAA Paper AIAA-1997-2735」に記載されており、ここでの説明は省略する。そして、ホットストリーク及びコールドストリークの分布は、当該非定常ＣＦＤ解析を行う具体的な手法を応用したプログラム（非定常ＣＦＤ解析プログラム）及びパラメータを用いて算出することができる。
【００３４】
続いて、本実施形態のタービンの設計方法においては、静翼配置位置設定工程（ステップＳ２）が行われる。この静翼配置位置設定工程では、上記配置位置設定プログラム及びパラメータに基づいて、動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２を構成する静翼５２の配置位置が設定される。
なお、静翼列６２を構成する静翼５２の枚数及び離間間隔は、タービンに要求される性能に依存して決定されるため変更できない。このため、燃焼ガス流れの流れ方向から見た静翼列６２の周方向における取付回転角度を変更することによって静翼列６２を構成する静翼５２の配置位置が設定される。
【００３５】
そして、静翼配置位置設定工程においては、温度分布取得工程にて取得された動翼列７１の下流領域の温度分布に基づいて、ホットストリークを避け、コールドストリークに晒されるように静翼列６２を構成する静翼５２の配置位置が設定される。
【００３６】
なお、動翼列７１の下流領域において、ホットストリークを避け、コールドストリークに晒される静翼５２の配置位置は、一つであるとは限らない。そこで、本実施形態のタービンの設計方法では、静翼配置位置設定工程において、ＣＰＵ３００が複数の静翼５２の配置位置から最適なものを選択する。
具体的には、ＣＰＵ３００は、例えば、ホットストリークを算出して温度分布を求めて、その温度分布で静翼５２の伝熱解析を行い、さらにコールドストリークを計算して温度分布を求めて、それを境界条件にして静翼５２の伝熱解析を行う。そして伝熱解析の結果、静翼列６２を構成する静翼５２の温度勾配が小さい配置位置を選択して最適なものとして選択する。
また、ＣＰＵ３００は、例えば、平均温度が許容値以下あるいは静翼５２に局所的な高温部が存在しない配置位置を選択する。さらに、ＣＰＵ３００は、選択した静翼５２の配置位置の各々における静翼５２の応力解析を実行して平均応力あるいは最大応力が最も小さいものを最終的な配置位置として設定する。
【００３７】
なお、図４に示すように、配置位置設定工程後に、再度、非定常ＣＦＤ解析プログラムを用いて非定常ＣＦＤ解析を行い、ホットストリーク及びコールドストリークの分布を算出し、動翼列７１の下流領域の静翼列６２の静翼５２がホットストリークを避け、コールドストリークに晒されるように最適に配置されているかについて検証する検証工程（ステップＳ３）が行われることが好ましい。
ここで、静翼５２が最適に配置されていないと判断された場合には、検証工程において最適と判断されるまで静翼５２の配置位置の調整する調整工程が行われる（ステップＳ４）。
【００３８】
以上のような本実施形態のタービンの設計方法によれば、動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２が備える静翼５２が、ホットストリークを避け、コールドストリークＣに晒されるように配置されたタービンを設計することが可能となる。
したがって、動翼列７１の下流領域に配置される静翼列６２の静翼５２に対する熱負荷を低減させることが可能なタービンを設計することが可能となる。
【００３９】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４０】
例えば、上記実施形態においては、ホットストリークとコールドストリークの両方の分布を算出して動翼列７１の下流領域における温度分布を取得する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ホットストリークあるいはコールドストリークのいずれかのみを用いて動翼列７１の下流領域における温度分布を取得するようにしても良い。
このような場合であっても、ホットストリークは予め定められた閾値よりも温度の高い領域でコールドストリークは予め定められた閾値よりも温度の低い領域であるため、静翼５２の配置位置を予め定められた閾値よりも温度の高い領域を避けて予め定められた閾値よりも温度の低い領域に設定することが可能となる。
【００４１】
また、上記実施形態において、動翼列７１の下流領域における温度分布が、ホットストリーク及びコールドストリークの分布を、非定常ＣＦＤ解析を用いて算出することによって取得される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、動翼列７１の下流領域における温度分布を熱電対等の温度計測装置を用いて取得しても良い。
【００４２】
また、上記実施形態においては、静翼列６０と動翼列７０とが交互に２つずつ配置された構成、すなわち２つの翼列段８０が配置された構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに複数の翼列段を備える構成を採用することもでき、例えば３段目以降の静翼列６０の静翼５２の配置位置を設定することに応用することも可能である。
【００４３】
また、上記実施形態においては、１つの静翼列６０と１つの動翼列７０とによって翼列段が構成される例について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、翼列段が２つの静翼列と１つの動翼列のように数の異なる静翼列と動翼列とによって構成されても良い。
このような場合であっても、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼の配置位置を本発明によって設定することが可能となる。
【００４４】
また、上記実施形態においては、ガスタービンエンジンに備えられるタービン及び該タービンの設計方法について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン発電機等に用いられるタービンに適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
５……タービン、５２……静翼、５３……動翼、６０（６１，６２）……静翼列、７０（７１，７２）……動翼列、８０……翼列段、Ｈ……ホットストリーク、Ｃ……コールドストリーク
【図１】
2010190057.tif 000003
【図２】
2010190057.tif 000004
【図３】
2010190057.tif 000005
【図４】
2010190057.tif 000006